Harvarde sukurta atomų „juodoji skylė“

Paleisti skrieti lazeriu atšaldyti atomai sugaunami vieno vienos sienelės anglies nanovamzdelio, kuris yra įkrautas iki 300 voltų įtampos. Sugautas atomas spiraline trajektorija krenta į nanovamzdelį (balta trajektorija), kol galiausiai priartėja prie vamzdelio paviršiaus. Čia valentinis atomo elektronas (geltonas) įtraukiamas į vamzdelį. Likęs jonas (violetinis) atstumiamas į šoną ir yra detektuojamas specialia įranga. Anne Goodsell, Tommi Hakala (Harvardo universitetas) nuotr.

Harvardo universiteto fizikai sugalvojo neįprastą anglies nanovamzdelių pritaikymo būdą. Jie pastebėjo, jog stipriai įkrautas nanovamzdelis priverčia atšaldytus atomus suktis spirale dideliu pagreičiu, kol juos galiausiai suskaido į joną ir elektroną.

Tyrinėtojų eksperimentai, kuriuose jie pademonstravo kažką panašaus į juodąją skylę, tik atominiame lygmenyje, yra aprašyti naujausiame žurnalo „Physical Review Letters“ numeryje. Pasak Harvardo universiteto taikomosios fizikos mokslininkės Lene Vestergaard Hau, mokslininkams šiuo atveju svarbu tai, jog „čia mes pirmą kartą suderinome šaltųjų atomų ir nanotechnologijų mokslą, o tai atveria duris naujai šaltųjų atomų ir nanoįtaisų kartai“.

Hau ir kiti eksperimento autoriai - Anne Goodsell, Trygve Ristroph ir Jene A. Golovchenko - lazeriu atšaldė maždaug vieno milijono rubidžio atomų debesį. Jų temperatūrai pasiekus artimą absoliučiajam nuliui būseną, fizikai šį milimetro ilgio atomų telkinį paleido skrieti į maždaug 2 cm atstumu buvusį anglies nanovamzdelį, kuriam buvo suteiktas maždaug trijų šimtų voltų elektrinis potencialas.

Eksperimento schema. Viršuje parodytas bendras įrangos vaizdas,
o apačioje (išdidintas vaizdas) – pagrindinė įrenginio dalis.
„Physical Review Letters“ iliustr.

Didžioji dalis atomų praskriejo pro pat nanovamzdelį, tačiau tie, kurie judėjo maždaug 1 mikrono atstumu nuo jo, buvo stipriai pritraukti artyn. Kritimo spiraline trajektorija metu dalelės pasiekė gan didelius greičius. „Starto metu šaltieji atomai judėjo apie 5 metrų per sekundę greičiu, tuo tarpu besisukdami aplink nanovamzdelį jie pagreitėjo iki apytiksliai 1200 metrų per sekundę greičio, - sakė Goodsell. - Atomų temperatūra yra proporcinga jų kinetinei energijai, tad dėl šio greitėjimo jų temperatūra mažiau nei per mikrosekundę pašoko nuo 0,1 laipsnio pagal Kelvino skalę iki tūkstančių laipsnių“.

Esant tokioms fizikinėms sąlygoms, atomas skilo į elektroną ir joną, kurie lygiagrečiai vienas kitam sukosi aplink nanovamzdelį. Kiekvienas apsisukimo periodas truko vos kelias trilijonąsias sekundės dalis. Veikiant kvantiniam tuneliniam efektui, elektronas galiausiai įtraukiamas į nanovamzdelį, o jį lydintis jonas atšoksta atstumtas stipraus 300 voltų įtampos nanovamzdelio elektrinio lauko. Jono „atšokimo“ greitis siekė apytiksliai 26 kilometrus per sekundę.

Visas eksperimentas atliktas dideliu tikslumu, o tai mokslininkams sudarė puikias sąlygas tirti nanolygiu vykstančius šaltųjų atomų procesus. Eksperimentuose naudotas vienos sienelės nanovamzdelis užaugintas naudojant cheminį garų nusodinimą ant silicio mikrolusto su 10 mikronų skersmens anga. Silicis užtikrino mechaninį vamzdelio tvirtumą ir gerą elektrinį kontaktą. „Atomo požiūriu šis nanovamzdelis yra be galo ilgas ir dalelę veikia kaip singuliarumas, - sako Hau. - Tai pirmas kartas, kai mes suderinome šias dvi fizikos sritis - šaltojo atomo fiziką ir nanotechnologijas“.